稻殼基活性炭在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用

1.試驗材料與方法

1.1試驗材料

試驗所用稻殼取自某地糧食加工廠，該稻殼質(zhì)地較輕，平均密度約為0.2至 0.3g/cm³ ，具有一定韌性，經(jīng)測定其纖維素含量約為 35% 至 45% ，半纖維素含量為 30% ，木質(zhì)素含量為 25% 氫氧化鉀（KOH）其純度為 95% ，外觀為白色片狀或塊狀固體，易溶于水，溶解時會放出大量熱量，在活性炭制備過程中作為活化劑，對孔隙結(jié)構(gòu)的形成起著關(guān)鍵作用。四環(huán)素（分析純）用于配制模擬廢水，其外觀為黃色結(jié)晶性粉末，在水中有一定的溶解度，化學(xué)性質(zhì)相對穩(wěn)定。去離子水用于試驗過程中的清洗與溶液配制，由實驗室自制，通過離子交換樹脂和反滲透膜等技術(shù)去除水中的各種離子雜質(zhì)，其電阻率為18.2MΩcm，確保試驗用水的純凈度，避免雜質(zhì)對試驗結(jié)果產(chǎn)生干擾。

1.2活性炭的制備

本次試驗設(shè)計旨在探究不同稻殼與KOH配比下，所制備活性炭孔隙結(jié)構(gòu)及對四環(huán)素的吸附性能差異。以碳化處理的稻殼為對照，4組試驗組稻殼與KOH按1：1比例，分別投入1至4kg原料，搭配相應(yīng)去離子水，經(jīng)活化、洗滌、干燥等工序制得活性炭。通過對比分析，明確原料投入量對活性炭性能影響，為優(yōu)化稻殼基活性炭制備工藝提供數(shù)據(jù)支撐。該實驗共設(shè)置對照組與四個試驗組，其中對照組未添加KOH，僅對稻殼進(jìn)行碳化處理；試驗組1至4則分別使用1kg、2kg、3kg、4kg的稻殼，按1：1的比例添加對應(yīng)質(zhì)量的KOH，并添加2kg、3kg、4kg、5kg的去離子水進(jìn)行試驗[1]。

1.3稻殼基活性炭制備

將收集的稻殼首先通過篩孔尺寸為 5mm×5mm 的振動篩，去除碎石、秸稈等大顆粒雜質(zhì)。隨后將稻殼倒入容積500L的耐腐蝕塑料清洗槽，注入300L去離子水，利用功率1.5kW、轉(zhuǎn)速 150r/min 的攪拌器，分3次、每次10分鐘進(jìn)行攪拌清洗，徹底清除表面附著物。洗凈后的稻殼平鋪于2m×1.5m×0.3m 的不銹鋼烘干托盤，放入型號DHG-9240A、功率4kW的鼓風(fēng)干燥箱，在 105^°C 下烘干12至15小時至恒重，最后使用粉碎能力 50kg/h80目的錘式粉碎機(jī)粉碎，為后續(xù)制備作準(zhǔn)備。

對照組僅進(jìn)行碳化處理，4組試驗組按照稻殼與KOH1：1的質(zhì)量比，將1至4噸稻殼與對應(yīng)質(zhì)量KOH投入 2m³ 的不銹鋼攪拌釜，同時加入2至 5m³ 去離子水。開啟功率 7.5kW 、轉(zhuǎn)速 200r/min 的機(jī)械攪拌器，持續(xù)攪拌45分鐘，確保物料充分均勻混合，實際生產(chǎn)中可根據(jù)批次規(guī)模調(diào)整攪拌時長與強(qiáng)度。

2.試驗結(jié)果分析

2.1活性炭吸附碳效果分析

通過模擬新能源廢水處理池上方空氣環(huán)境，構(gòu)建密閉實驗空間，其中二氧化碳初始濃度設(shè)定為 400ppm ，并取不同組別稻殼基活性炭（每組 2g 置于 200mL 模擬廢水中（模擬廢水成分為 0.1mol/L 的氯化鈉溶液，模擬廢水的離子環(huán)境），持續(xù)向空間內(nèi)通入含二氧化碳的空氣（流量 50mL/min） ，在25^°C， 1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下進(jìn)行吸附實驗。每隔1小時檢測空間內(nèi)二氧化碳濃度，實驗持續(xù)6小時，計算不同時間段稻殼基活性炭對二氧化碳的吸附量，結(jié)果如表1所示。

由表可知，對照組僅進(jìn)行碳化處理，缺乏有效的孔隙結(jié)構(gòu)構(gòu)建，6小時后二氧化碳濃度僅從 400ppm 降至330ppm，吸附效果有限。試驗組1至4采用稻殼與KOH1：1配比活化，吸附性能顯著提升。試驗組1在1小時內(nèi)將二氧化碳濃度從400ppm降至340ppm，6小時后降至 240ppm 具有初步的吸附能力。隨著原料投入量增加到試驗組2，其吸附性能進(jìn)一步增強(qiáng)，6小時后二氧化碳濃度降至205ppm，說明適當(dāng)增加原料能促進(jìn)孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育，提供更多吸附位點。試驗組3達(dá)到最優(yōu)效果，6小時后二氧化碳濃度低至155ppm，這是因為此組原料投入量使得活化反應(yīng)充分且均勻，形成了最豐富的微孔和中孔結(jié)構(gòu)，比表面積達(dá)到峰值，對二氧化碳的吸附能力最強(qiáng)。然而，試驗組4原料投入量繼續(xù)增加，但6小時后二氧化碳濃度為 175ppm ，吸附性能反而下降[2]。

2.2活性炭制備過程碳排放分析

為評估稻殼基活性炭制備工藝的可持續(xù)性，對不同組別制備過程中的碳排放進(jìn)行量化分析。碳排放計算涵蓋原料生產(chǎn)、運(yùn)輸、設(shè)備能耗、化學(xué)藥劑使用及廢棄物處理等環(huán)節(jié)，其中設(shè)備能耗依據(jù)設(shè)備功率、運(yùn)行時長及區(qū)域電網(wǎng)碳排放因子 （取值 0.65kgCO₂/kWh） 核算，化學(xué)藥劑碳排放參考生命周期評估數(shù)據(jù)庫。試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

隨著試驗組原料投入量從1kg遞增至4kg，總碳排放呈現(xiàn)出線性上升趨勢。而在細(xì)分各環(huán)節(jié)，稻殼運(yùn)輸碳排放與原料投入量呈正相關(guān)，每增加1kg稻殼，運(yùn)輸碳排放約增加 0.1kgCO_2^° KOH生產(chǎn)碳排放同樣隨原料增加而上升，主要因為KOH與稻殼按1：1配比，稻殼用量增多必然導(dǎo)致KOH用量增加。設(shè)備能耗碳排放是總碳排放的主要構(gòu)成部分，隨著原料投入量加大，設(shè)備運(yùn)行時間和功率需求提升，其碳排放占比從試驗組1的 71.4% （3.5/4.9）升至試驗組4的 72.7% （13.6/18.7）。洗滌處理碳排放也有所增加，但占比相對穩(wěn)定。

試驗組3總碳排放量為 14.1kgCO₂ 但在具備最優(yōu)吸附性能（6小時后二氧化碳濃度低至 155ppm ）的前提下，單位吸附量的碳排放相對較低。相較于傳統(tǒng)活性炭制備原料，稻殼基活性炭利用農(nóng)業(yè)廢棄物，減少原生資源開采的碳排放。

3.結(jié)束語

結(jié)果表明，以稻殼為原料制備的活性炭在新能源領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用潛力。稻殼與KOH質(zhì)量比為1：1、原料投入量3kg時，所制活性炭對二氧化碳吸附效果最佳，單位吸附量的碳排放相對較低，稻殼基活性炭不僅實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用，還降低生產(chǎn)成本，且環(huán)境效益良好[3]。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐吉勇。活性炭吸附法在印刷工藝廢氣處理中的應(yīng)用[J].中國資源綜合利用，2025，43（05）：238-240.

[2]范友華、康地、彭邵鋒等。氮磷摻雜改性活性炭對水中鉛離子的吸附性能研究[J].林產(chǎn)工業(yè)，2025，62（05）：45-53.

[3]郭瑩瑩。活性炭吸附法處理化工廢氣中揮發(fā)性有機(jī)物的效果分析[J].中國輪胎資源綜合利用，2025，（05）：135-137.作者單位：沈陽科技學(xué)院